JP2019085877A - Ignition device for internal combustion engine - Google Patents
Ignition device for internal combustion engine Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019085877A JP2019085877A JP2017211758A JP2017211758A JP2019085877A JP 2019085877 A JP2019085877 A JP 2019085877A JP 2017211758 A JP2017211758 A JP 2017211758A JP 2017211758 A JP2017211758 A JP 2017211758A JP 2019085877 A JP2019085877 A JP 2019085877A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- voltage
- inverter
- power supply
- high frequency
- internal combustion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)
Abstract
Description
本発明は、高周波プラズマ放電を利用する内燃機関用点火装置に関するものである。 The present invention relates to an ignition device for an internal combustion engine utilizing high frequency plasma discharge.
自動車エンジン等の内燃機関の燃費を向上させる手法として希薄燃料ガスや排気ガスの一部を吸気側へ導き再度吸気させる排気再循環システム(EGR:Exhaust Gas Recirculation)、および燃焼室の高圧縮比化などが用いられる。しかしながら、いずれの手法も着実な点火が課題であり、着火性を高める必要があった。一般的な内燃機関用点火装置としては、点火コイルとイグナイタで構成された直流電源によって高電圧を発生させ、点火プラグの電極間に絶縁破壊放電を発生させるものが用いられる。 An exhaust gas recirculation system (EGR: Exhaust Gas Recirculation) for introducing part of lean fuel gas and exhaust gas to the intake side and re-inhales as a method of improving fuel efficiency of internal combustion engines such as automobile engines etc., and increasing compression ratio of combustion chamber Etc. are used. However, in all methods, steady ignition is a problem, and it was necessary to improve the ignitability. As a general ignition device for an internal combustion engine, a device that generates a high voltage by a DC power source configured by an ignition coil and an igniter and generates a breakdown discharge between electrodes of a spark plug is used.
これに対し、着火性を高める内燃機関点火装置の一つとしてプラズマ点火装置が提案されている。このプラズマ点火装置は、スパークプラグ、直流電源、交流電源、混合部、および点火制御部を備える。そしてスパークプラグにおける中心電極と接地電極との電極間に交流プラズマを発生させることで点火し、その後スパークプラグに供給される交流電力を低減させ、スパークプラグの寿命を向上させるものであった。
(例えば、特許文献1参照)
On the other hand, a plasma igniter has been proposed as one of internal combustion engine igniters that improves the ignitability. The plasma igniter includes a spark plug, a DC power supply, an AC power supply, a mixing unit, and an ignition control unit. Then, by generating an alternating current plasma between the center electrode and the ground electrode in the spark plug, ignition is performed, and thereafter the alternating current power supplied to the spark plug is reduced to improve the life of the spark plug.
(For example, refer to patent document 1)
また、交流電源の回路構成例の一つとして高周波プラズマ点火装置が提案されている。これは、バッテリ、フルブリッジインバータ、トランス、共振回路、点火プラグ、高電圧回路により構成され、インバータ回路のアームを共通化することで、点火プラグ個数の2倍より少ないアーム数とする構成であった。(例えば、特許文献2参照) Also, a high frequency plasma ignition device has been proposed as one example of circuit configuration of an alternating current power supply. This is composed of a battery, a full bridge inverter, a transformer, a resonant circuit, a spark plug, and a high voltage circuit, and the arms of the inverter circuit are made common to make the number of arms smaller than twice the number of spark plugs. The (For example, refer to patent document 2)
しかしながら、特許文献1に提案されているプラズマ点火装置にあっては、直流電源から出力される高電圧の伝送路と、交流電源から出力される高周波交流電圧の伝送路が、一つの伝送路にまとめて点火プラグに接続されている。交流電源は、点火タイミングにおいて直流電源が出力する高電圧から、混合部のコンデンサによって分離されている。このように構成されたプラズマ点火装置において、燃焼室内の絶縁破壊は点火プラグの電極間の電圧が放電開始電圧に達することによって生じており、混合部のコンデンサにも点火プラグの電極間電圧と同電圧が印加される。このコンデンサに充電された電荷は、絶縁破壊が発生すると同時に、放電電流として交流電源に流入するという課題があった。
However, in the plasma ignition device proposed in
これに対し、特許文献2に提案されている高周波プラズマ点火装置にあっては、放電電流はインバータのスイッチング素子のダイオードによって整流され、バッテリに回生される。しかしながら、内燃機関の運転条件によっては、燃料ガスに着火しやすい条件も存在し、このときの点火装置による消費電力を抑制するため、交流電源は停止し、直流電源のみによる点火動作が実施される。この直流電源のみによる点火動作が継続する場合、点火毎に放電電流が交流電源に流入し、回生電力として蓄積される。回生電力は蓄積されるが交流電源が動作しないことから回生電力を消費できず、交流電源内部の電位が上昇する。そのため、高耐圧な回路素子で交流電源を構成する必要があり、交流電源の小型化に限界があった。
On the other hand, in the high frequency plasma ignition device proposed in
本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、直流電源のみによる点火動作が継続し、コンデンサの放電電流による回生電力が蓄積しても、交流電源内部の印加電圧の上昇を防止できる内燃機関用点火装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and the ignition operation using only the DC power supply continues, and the voltage applied inside the AC power supply rises even if regenerative power is accumulated due to the discharge current of the capacitor. It is an object of the present invention to provide an ignition device for an internal combustion engine that can prevent the
本発明にかかる内燃機関用点火装置は、内燃機関の燃焼室内の可燃混合気を点火させる点火プラグと、前記点火プラグの電極間に直流高電圧を印加して前記電極間に火花放電を発生させる放電用電源と、前記火花放電の放電経路に高周波電圧を印加して前記電極間に高周波プラズマを発生させる高周波交流電源と、を有する内燃機関用点火装置において、
前記高周波交流電源は、直流電圧源と、入力コンデンサと、前記入力コンデンサの印加電圧を検出する電圧検出手段と、複数のスイッチング素子を有し、前記直流電圧源から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記インバータの出力端に一次側巻線を接続したトランスと、前記トランスの二次側巻線に接続され、少なくとも1つ以上のコンデンサおよびリアクトルを有し、前記インバータから出力された交流電圧を共振させる共振回路と、前記高周波交流電源から前記点火プラグへ供給される電流を検出する電流検出手段と、前記インバータを構成する前記スイッチング素子のオンおよびオフ動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記入力コンデンサの検出電圧が予め設定された閾値電圧よりも高電圧であるとき、エネルギー消費動作として前記入力コンデンサに蓄積されたエネルギーを消費するよう、前記インバータを動作させることを特徴とするものである。
In the ignition device for an internal combustion engine according to the present invention, a high DC voltage is applied between an electrode of the ignition plug and an ignition plug for igniting a combustible mixture in a combustion chamber of the internal combustion engine to generate spark discharge between the electrodes. In an igniter for an internal combustion engine, comprising: a discharge power source; and a high frequency AC power source for applying a high frequency voltage to a discharge path of the spark discharge to generate a high frequency plasma between the electrodes;
The high frequency alternating current power supply includes a direct current voltage source, an input capacitor, voltage detecting means for detecting an applied voltage of the input capacitor, and a plurality of switching elements, and the direct current voltage output from the direct current voltage source is an alternating voltage , A transformer having a primary side winding connected to the output end of the inverter, and a secondary side winding of the transformer, having at least one or more capacitors and a reactor, and an output from the inverter Circuit for resonating the alternating current voltage, current detection means for detecting the current supplied from the high frequency alternating current power supply to the spark plug, and a control unit for controlling the on / off operation of the switching element constituting the inverter And
The control unit operates the inverter to consume energy stored in the input capacitor as an energy consumption operation when the detected voltage of the input capacitor is higher than a preset threshold voltage. It is a feature.
本発明にかかる内燃機関用点火装置によれば、放電用電源のみによる点火動作が継続し、共振コンデンサの放電電流による回生電力が高周波交流電源に蓄積しても、高周波交流電源内部の印加電圧の上昇を防止することができる。 According to the igniter for an internal combustion engine according to the present invention, the ignition operation by only the discharge power supply continues, and even if the regenerative power by the discharge current of the resonance capacitor is accumulated in the high frequency AC power supply, It is possible to prevent the rise.
実施の形態1.
まず、本発明の実施の形態1にかかる内燃機関用点火装置の構成を説明する。図1は、本発明の実施の形態1にかかる内燃機関用点火装置の回路構成例を示す図である。
First, the configuration of the internal combustion engine ignition device according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration example of an internal combustion engine ignition device according to a first embodiment of the present invention.
内燃機関用点火装置1は、点火プラグ10と、放電用電源11と、高周波交流電源2と、を有する。
The internal combustion
放電用電源11は点火プラグ10の電極間を絶縁破壊するために、直流高電圧を印加するものである。前記点火プラグの電極間に直流高電圧を印加することにより電極間に火花放電を発生させることができる。点火プラグ10は、内燃機関の燃焼室内の可燃混合気を点火させる。
The
高周波交流電源2は、点火プラグ10に高周波電圧を印加するものである。火花放電の放電経路に高周波電圧を印加することにより電極間に高周波プラズマを発生させることができる。高周波交流電源2は、直流電圧源3、入力コンデンサ4、電圧検出手段8、インバータ5、トランス6、共振回路7、高周波交流電源2から点火プラグ10に出力される電流を検出する電流検出手段9、および制御部12から構成される。直流電圧源3は、例えば車両に搭載されたバッテリなどから構成される。電圧検出手段8は、入力コンデンサ4の印加電圧を検出する。
The high frequency
入力コンデンサ4は回路構成上、直流電圧源3とインバータ5の間に設けられ、直流電圧源3からのリップル電圧を抑制する。
The input capacitor 4 is provided between the
インバータ5は、複数のスイッチング素子51、52、53、54を有し、直流電圧源3から出力される直流電圧を交流電圧に変換する。本実施の形態においては入力コンデンサ4を介して直流電圧が交流電圧に変換される。
The inverter 5 has a plurality of
インバータ5は、スイッチング素子51と52との直列回路からなる第1レグとスイッチング素子53と54との直列回路からなる第2レグとから構成される。インバータ5のスイッチング素子51、53のドレイン端は、直流電圧源3および入力コンデンサ4のプラス端に接続されている。また、インバータ5のスイッチング素子52、54のソース端は、直流電圧源3および入力コンデンサ4のマイナス端に接続されている。また、各スイッチング素子51から54は、逆並列ダイオード(ボディダイオード)を有している。
The inverter 5 is composed of a first leg consisting of a series circuit of
なお、本実施の形態では、インバータ5の回路構成はフルブリッジ回路を例に説明するが、例えばハーフブリッジ回路など他の構成を用いてもよい。また、各スイッチング素子はダイオードを内蔵したMOS(Metal Oxide Semiconductor)構成としたが、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transisitor)の他の半導体素子であってもよい。 In the present embodiment, the circuit configuration of the inverter 5 will be described taking a full bridge circuit as an example, but another configuration such as a half bridge circuit may be used, for example. Although each switching element has a MOS (Metal Oxide Semiconductor) configuration including a diode, it may be another semiconductor element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), for example.
トランス6は、インバータ5から出力される交流電圧を昇圧する。トランス6は一次側巻線61と二次側巻線62とを有する。一次側巻線61はインバータ5の出力端に接続され、二次側巻線62は共振回路7と接続される。
The
トランス6の一次側巻線61と二次側巻線62との巻数比は1:nである。トランス6の二次側巻線62側の電圧を高電圧に昇圧するため、nは1より大きい実数とする。これにより、トランス6の二次側巻線62間に発生する電圧は、トランス6の一次側巻線61間に発生する電圧のn倍に変換される。したがってトランス6の二次側巻線62に流れる電流は、トランス6の一次側巻線61に流れる電流の1/n倍に変換される。
The turns ratio of the
共振回路7は、トランス6の二次側巻線62に接続され、共振コンデンサ72と共振リアクトル71とを一つずつ有する。共振回路7は、インバータ5から出力された交流電圧を正弦波に整形する。共振回路7の一例として、本実施の形態では直列LC回路を用いており、具体的にはトランス6の二次側巻線62と共振リアクトル71と共振コンデンサ72とが順に直列に接続されている。なお、他の共振回路を適用しても同様の点火動作を行うことが可能であることは言うまでもない。また、本実施の形態においては、共振コンデンサ72と共振リアクトル71をそれぞれ一つずつ有する構成としているが、少なくとも一つずつ有する構成であればよく、複数設けても良い。
The
制御部12は、インバータ5における各スイッチング素子51,52,53,54のオンおよびオフ動作を制御する。この制御は、入力コンデンサ4の印加電圧が予め設定された閾値電圧よりも高電圧であるとき、エネルギー消費動作として入力コンデンサ4に蓄積されたエネルギーを消費するよう、インバータ5のスイッチング素子51,52,53,54を動作させるようにする。
The
次に、本実施の形態における内燃機関用点火装置1の基本的な動作について説明する。図2は、本発明の実施の形態1における高周波プラズマ点火のタイミングチャートを示す図である。
Next, the basic operation of the internal combustion
図2では、点火タイミング信号、インバータ駆動信号、点火プラグ電圧、点火プラグ電流、入力コンデンサ印加電圧のぞれぞれの状態を示している。図中のT1からT3はそれぞれある時刻を示している。 FIG. 2 shows the states of the ignition timing signal, the inverter drive signal, the spark plug voltage, the spark plug current, and the input capacitor applied voltage. Each of T1 to T3 in the figure indicates a certain time.
図2の時刻T1において、内燃機関用点火装置1は、図示していないエンジンコントロールユニット(以下、ECUと称する)から出力される点火タイミング信号の立下りに応じて、放電用電源11から点火プラグ10にマイナス電圧の印加を開始する。
At time T1 in FIG. 2, the
図2の時刻T2は、点火プラグ10への印加電圧がある電圧に到達する時刻である。この時刻T2では、点火プラグ10の電極間が絶縁破壊され、火花放電が生ずる。点火プラグ10が絶縁破壊に到達する電圧は、点火プラグ10の電極間の距離や、燃焼室の状態で変化するが数kV〜数10kV印加する必要がある。
Time T2 in FIG. 2 is the time when the voltage applied to the
点火プラグ10が絶縁破壊された後、図2の時刻T3では、高周波交流電源2の動作が開始され、入力コンデンサ4に印加された直流電圧が、インバータ5により高周波交流電圧として出力される。
After the
インバータ5から出力された高周波交流電圧は、トランス6により昇圧される。トランス6により昇圧された交流電圧は共振回路7により正弦波に整形され、数100Vから数kV程度までの電圧値を有する数MHzの高周波交流電圧として点火プラグ10に印加される。そして内燃機関の燃焼室内の燃料と空気の混合気に対して高周波プラズマ点火が行われる。
The high frequency AC voltage output from the inverter 5 is boosted by the
次に、高周波交流電源2が高周波プラズマ点火動作を実施しているときのインバータ5の動作波形について図3を用いて説明する。ここで、インバータ5出力電圧は、第1レグのスイッチング素子51と52の接続点の電位が、第2レグのスイッチング素子53と54の接続点の電位よりも高電位となる場合を正とし、インバータ5出力電流は第1レグのスイッチング素子51と52の接続点からトランス6の一次巻61線を介して第2レグのスイッチング素子53と54の接続点に流れる方向を正としている。
Next, an operation waveform of the inverter 5 when the high frequency
図3の(a)は、インバータ5の出力電流がインバータ5の出力電圧に対して遅れ位相となる波形を示している。図3の(b)は、インバータの出力電流がインバータ5の出力電圧に対して進み位相となる波形を示している。インバータ5の出力電流がインバータ5の出力電圧に対して遅れ位相となる条件は、共振回路7と点火プラグ10で構成される合成リアクタンスが誘導性となる場合である。ただし、点火プラグ10の電極間が絶縁破壊され放電経路が形成されているときは、点火プラグ10を抵抗成分としてみなされるため、共振回路7の合成リラクタンスのみを考慮すればよい。
FIG. 3A shows a waveform in which the output current of the inverter 5 is delayed in phase with respect to the output voltage of the inverter 5. (B) of FIG. 3 shows a waveform in which the output current of the inverter is in the lead phase with respect to the output voltage of the inverter 5. The condition in which the output current of the inverter 5 is delayed in phase with respect to the output voltage of the inverter 5 is when the combined reactance formed by the
図3(a)を詳細に説明する。図3(a)における時刻Taはスイッチング素子51,54のゲート信号が立ち上がるタイミングを表している。また、時刻Tbはスイッチング素子52,53のゲート信号が立ち上がるタイミングを表している。
FIG. 3A will be described in detail. Time Ta in FIG. 3A indicates the timing at which the gate signals of the switching
スイッチング素子51,54のゲート信号が立ち上がる時刻Taでは、スイッチング素子51,54には負極性の電流が流れている。これは、スイッチング素子51,54の逆並列ダイオードが導通している状態を指し、ターンオンするスイッチング素子51,54のドレイン−ソース間電圧はゼロとなる。このため、スイッチング素子51,54ではゼロ電圧スイッチングが成立し、ターンオン時のスイッチング損失を低減することができる。これは、スイッチングの極性を反転させたスイッチング素子52,53がターンオンする時刻Tbにも同様のことが言える。
At time Ta when the gate signals of the switching
図3(b)を詳細に説明する。スイッチング素子51,54のゲート信号が立ち上がる時刻Tcでは、スイッチング素子51,54が導通しインバータ5は正極性の電流を出力する。
FIG. 3B will be described in detail. At time Tc when the gate signals of the switching
時刻Tdでインバータ出力電流の極性が反転する。このとき、スイッチング素子51,54が導通している。このため、スイッチング素子51,54のソースからドレインの方向に電流は流れる。
At time Td, the polarity of the inverter output current is inverted. At this time, the switching
時刻Teでスイッチング素子51,54がターンオフする。これによりスイッチング素子51,54の逆並列ダイオードに電流が流れ、入力コンデンサ4に回生される。
The switching
次に、時刻Tfになりスイッチング素子52,53をターンオンする。このときスイッチング素子52,53には電流が流れていない状態で、導通することからハードスイッチングとなる。
Next, at time Tf, the switching
また、スイッチング素子52,53が導通すると同時にスイッチング素子51,54の逆並列ダイオードのリカバリが発生する。リカバリ期間中は第1レグのスイッチング素子51、52がともに導通した状態になることから、第1レグでは短絡が発生し、瞬間的に大電流が第1レグを通流する。スイッチング素子51,52では、この短絡電流による損失が発生し、スイッチング素子の発熱が増大するため、短絡電流に耐えうる特性をもつスイッチング素子への変更や冷却能力を強化が必要となる。
At the same time as switching
以上より、インバータ5はインバータ5の出力電流がインバータ5の出力電圧に対して遅れ位相となる、つまり共振回路7と点火プラグ10を含む共振負荷回路が誘導性リアクタンスとなる周波数領域で動作させることとする。
From the above, in the inverter 5, the output current of the inverter 5 is delayed in phase with respect to the output voltage of the inverter 5, that is, the resonant load circuit including the
次に、共振回路7における共振リアクトル71と共振コンデンサ72の共振点と共振ゲインの関係を説明する。図4は、共振リアクトル71と共振コンデンサ72とを含む負荷の共振点と共振ゲインの関係を示した図である。
Next, the relationship between the resonance point of the resonance reactor 71 and the
図4の縦軸はゲインを示し、横軸は周波数を示す。図4において共振点より高い周波数領域では、周波数を高くすると共振ゲインが小さくなり、高周波交流電源の出力が低下する。また、共振点より低い周波数領域では、周波数を高くすると共振ゲインが大きくなり、高周波交流電源の出力が増加する。すなわち、共振点より高い周波数ではインバータ5にとって共振回路の合成リアクタンスは誘導性となり、共振点より低い周波数では容量性となる。 The vertical axis in FIG. 4 indicates the gain, and the horizontal axis indicates the frequency. In FIG. 4, in the frequency region higher than the resonance point, when the frequency is increased, the resonance gain is reduced and the output of the high frequency AC power supply is reduced. Further, in the frequency region lower than the resonance point, when the frequency is increased, the resonance gain is increased and the output of the high frequency AC power supply is increased. That is, the combined reactance of the resonant circuit is inductive for the inverter 5 at frequencies higher than the resonance point, and capacitive at frequencies lower than the resonance point.
本実施の形態におけるインバータ5では上述したようにインバータ5のスイッチング素子51,54がターンオンするときにゼロ電圧スイッチングとするために、インバータ5の出力電圧に対し、出力電流が遅れ位相となるように動作させている。したがって、本実施の形態ではインバータ5はスイッチング素子のスイッチング周波数を共振点より高い周波数領域、すなわち、共振回路7の合成リアクタンスが誘導性となる周波数領域で動作される。
In the inverter 5 according to the present embodiment, as described above, the output current has a delay phase with respect to the output voltage of the inverter 5 in order to perform zero voltage switching when the switching
インバータ5のスイッチング周波数を調整し共振ゲインを変化させることによって、点火プラグ10への印加電圧を変化させ、点火プラグ10に流れる電流を制御することができる。具体的には、周波数は、電流検出手段9によって検出された検出電流が点火プラグ10の電流要求値よりも低い場合は、共振点に近づくようにスイッチング周波数を低下させる調整を行う。また、検出電流が点火プラグの電流要求値より高い場合は、スイッチング周波数を増加させる調整を行う。このようにスイッチング周波数の調整を行うことにより、点火プラグ10に流れる電流の制御が可能となる。
By adjusting the switching frequency of the inverter 5 to change the resonance gain, the voltage applied to the
本実施の形態にかかる内燃機関用点火装置1のエネルギー消費動作について図2と図5を用いて説明する。
The energy consumption operation of the internal combustion
内燃機関用点火装置1は上述した点火動作を点火タイミング毎に繰り返す。点火動作の中で、放電用電源11により点火プラグ10の電極間が絶縁破壊されるとき、共振回路7を構成する共振コンデンサ72には、点火プラグ10の電極間電圧と等しい電圧が印加される。この共振コンデンサ72に蓄えられたエネルギーは、図2の時刻T2に示す点火プラグ10の電極間の絶縁破壊と同時に、共振リアクトル71と共振コンデンサ72のつくる共振周波数で振動する放電電流として放出される。
The internal combustion
この放電電流はトランス6を介して、インバータ5に流入する。このとき、インバータ5は動作しておらず、スイッチング素子51〜54の逆並列ダイオードによって整流され、入力コンデンサ4に回生される。この放電電流からなる回生電力に伴い、入力コンデンサ4の印加電圧は上昇する。
The discharge current flows into the inverter 5 through the
その後、時刻T3にて高周波プラズマ点火動作が始まり、インバータ5が動作することで入力コンデンサ4のエネルギーが消費され、入力コンデンサ4の印加電圧は低下していく。このように、入力コンデンサの印加電圧が直流電圧源の出力電圧よりも低下した場合は、直流電圧源によって充電され、同電位となる。 Thereafter, at time T3, the high frequency plasma ignition operation starts, and the energy of the input capacitor 4 is consumed by the operation of the inverter 5, and the voltage applied to the input capacitor 4 decreases. As described above, when the voltage applied to the input capacitor is lower than the output voltage of the DC voltage source, it is charged by the DC voltage source and becomes the same potential.
高周波プラズマ点火を実施する際は、上述の一連の動作を繰り返すが、内燃機関の運転状態に応じて、放電用電源11による火花点火のみで点火を行うことがある。この放電用電源11のみによる点火動作が繰り返される場合、高周波交流電源2の入力コンデンサ4は、共振コンデンサ72の放電電流による回生電力が繰り返し充電される。このとき、インバータ5の動作による高周波プラズマ点火動作が行われないため、入力コンデンサ4のエネルギーは消費されず、印加電圧は徐々に増加する。この印加電圧の増加を許容するためには、高耐圧な回路素子が必要であり、その場合、交流電源の小型化には限界がある。
When the high frequency plasma ignition is performed, the above-described series of operations are repeated, but depending on the operating state of the internal combustion engine, ignition may be performed only by spark ignition by the
そこで本実施の形態では、上述の放電用電源11のみの点火動作が繰り返される場合において、入力コンデンサ4の印加電圧の上昇を回避するため、以下の動作を実施する。
Therefore, in the present embodiment, in the case where the ignition operation of only the above-described
図5はエネルギー消費動作のタイミングチャートを示した図である。図中には点火タイミング信号、インバータ駆動信号、点火プラグ電圧、点火プラグ電流、入力コンデンサ印加電圧の動作状態を示している。 FIG. 5 is a diagram showing a timing chart of the energy consumption operation. The figure shows the operating state of the ignition timing signal, the inverter drive signal, the spark plug voltage, the spark plug current, and the input capacitor applied voltage.
入力コンデンサ4の印加電圧の上昇を回避する動作方法として、本実施の形態では、電圧検出手段8にて入力コンデンサ4の印加電圧を監視する。そして、予め設定された閾値電圧との大小を比較する。本実施の形態において閾値電圧は直流電圧源3の出力電圧以上、高周波交流電源2を構成する回路素子の定格電圧未満とする。
As an operation method for avoiding a rise in the voltage applied to the input capacitor 4, in the present embodiment, the voltage detection means 8 monitors the voltage applied to the input capacitor 4. Then, the magnitude is compared with a preset threshold voltage. In the present embodiment, the threshold voltage is equal to or higher than the output voltage of the
比較により、電圧検出手段8が閾値電圧以上となる入力コンデンサ4の印加電圧を検出すると、制御部12は放電用電源11による点火プラグ10の電極間の絶縁破壊が終了し絶縁状態に戻った後に、インバータ5に動作信号を出力する。このときのインバータ5の動作は、通常の高周波プラズマ点火を実施するときと同様のスイッチング動作を行い、高周波交流電源2を構成する回路素子から発生する損失を以って入力コンデンサ4に蓄えられるエネルギーを消費する。
By comparison, when the voltage detection means 8 detects the applied voltage of the input capacitor 4 having a threshold voltage or more, the
上述のインバータ5のエネルギー消費動作により入力コンデンサ4の印加電圧が低下し、次の点火タイミング信号が出力されるまで、もしくは検出電圧が直流電圧源3と同電位になるまで低下したとき、インバータ5によるエネルギー消費動作を停止する。
When the voltage applied to the input capacitor 4 decreases due to the energy consumption operation of the inverter 5 described above, and the next ignition timing signal is output, or when the detected voltage decreases to the same potential as the
高周波交流電源2の出力電圧は点火プラグ10の電極間の絶縁破壊電圧未満であることから、点火プラグ10は電極間の容量成分が負荷としてみなされる。そのため、共振コンデンサ72と点火プラグ10の容量成分の2直列が合成容量となり、この合成容量が共振コンデンサ72の容量よりも低減する。よってエネルギー消費動作での負荷回路の共振点は、高周波プラズマ点火動作での負荷回路の共振点に比べ高周波側に遷移される。
Since the output voltage of the high frequency
高周波プラズマ点火動作時のスイッチング周波数とエネルギー消費動作時のスイッチング周波数を同じにする。この場合、共振回路7の構成によっては、エネルギー消費動作時はインバータ5のスイッチング周波数が容量性となる周波数領域や共振点に重なることが考えられる。しかし、高周波交流電源2の出力電圧は、点火プラグ10の絶縁破壊電圧に比べ十分に低電圧であることから放電が実施されることはない。
The switching frequency in high frequency plasma ignition operation and the switching frequency in energy consumption operation are made the same. In this case, depending on the configuration of the
このエネルギー消費動作時にインバータ5のスイッチング周波数が容量性となる周波数領域や、共振点に重なることを避けたい場合は、点火プラグ10が絶縁破壊しているときの共振負荷回路の共振点と、点火プラグ10が絶縁破壊していないときの共振負荷回路の共振点を事前に確認する。そして、エネルギー消費動作でのインバータ5のスイッチング周波数を、共振回路と点火プラグ10の浮遊容量成分で構成される共振点よりも高周波になるよう動作させても良い。
When it is desired to avoid that the switching frequency of the inverter 5 overlaps the capacitive frequency or the resonance point during the energy consumption operation, the resonance point of the resonant load circuit when the
上述のとおり、本実施の形態の内燃機関用点火装置1は、入力コンデンサ4の検出電圧が予め設定された閾値電圧よりも高電圧となるとき、エネルギー消費動作として入力コンデンサ4に蓄積されたエネルギーを消費するよう、インバータ5を動作させるものである。
As described above, when the detected voltage of the input capacitor 4 becomes higher than a preset threshold voltage, the
よって、放電用電源11のみによる点火動作が繰り返されたとしても、入力コンデンサ4に蓄積された回生エネルギーを適宜消費できる。その結果、高周波交流電源2の印加電圧の上昇を防ぐことができる。
Therefore, even if the ignition operation by only the
実施の形態2.
実施の形態2は実施の形態1のエネルギー消費動作を点火プラグ10の電極間が絶縁破壊している期間においても実施させるようにした構成が相違している。実施の形態2では、本発明の実施の形態1と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明を省略する。
Second Embodiment
The second embodiment is different in the configuration in which the energy consumption operation of the first embodiment is performed even in a period in which the electrodes of the
実施の形態1におけるエネルギー消費動作は、点火プラグ10の電極間の絶縁破壊が終了した後に実施するという制限があった。これは、高周波交流電源2が高周波プラズマ放電に必要な電圧以上の電圧を出力しているためである。このとき点火プラグ10の電極間が絶縁破壊されているときに高周波交流電源2が動作すると、高周波プラズマ放電が実施され内燃機関の動作状態によっては、不必要な点火動作が生じることになる。この点火動作は、直流電圧源3となるバッテリのエネルギー消費や、内燃機関に機械的ストレスを与えることに繋がる。
The energy consumption operation in the first embodiment is limited to be performed after the breakdown between the electrodes of the
そこで実施の形態2では、エネルギー消費動作を実施する際にインバータ5のスイッチング素子51〜54のオンパルスの時比率を低減させる。スイッチング素子51〜54のオン時間が減ることでトランス6の励磁時間が低減し、高周波交流電源2の出力電圧・出力電流のピーク値が低下する。
Therefore, in the second embodiment, the duty ratio of the on-pulses of the switching
この動作にて高周波交流電源2の出力電圧を高周波プラズマ点火に必要な放電維持電圧未満にすることで、点火プラグ10の電極間が絶縁破壊していても、高周波プラズマ放電することなくエネルギー消費動作を行うことができる。
By setting the output voltage of the high frequency
よって、上述したエネルギー動作により、エネルギー消費動作を実施する時期の制限がなくなる。その結果、電圧検出手段8が入力コンデンサ4の印加電圧が閾値電圧以上の電圧を検出した後、即座にエネルギー消費動作を実施することが可能となる。 Thus, the above-described energy operation eliminates the restriction on the timing of performing the energy consumption operation. As a result, after the voltage detection means 8 detects that the voltage applied to the input capacitor 4 is equal to or higher than the threshold voltage, it is possible to carry out the energy consumption operation immediately.
したがって、実施の形態2では、実施の形態1と同様に、入力コンデンサ4に蓄積された回生エネルギーを適宜消費できる効果に加え、その消費動作を即座に実施することが可能とするものである。よって、高周波交流電源2の印加電圧の上昇を防ぐことができる。
Therefore, in the second embodiment, as in the first embodiment, in addition to the effect that the regenerative energy stored in the input capacitor 4 can be appropriately consumed, the consumption operation can be implemented immediately. Therefore, the rise of the applied voltage of the high frequency alternating
実施の形態3.
図6は、本発明の実施の形態3における内燃機関用点火装置を示す図である。図6において、図1と同じ符号を付けたものは、図1と同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態1および実施の形態2とは、高周波交流電源2において、インバータ5とトランス6との間にダイオードブリッジ回路13を接続した構成が相違している。
Third Embodiment
FIG. 6 is a view showing an ignition device for an internal combustion engine according to a third embodiment of the present invention. 6, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding components as those in FIG. 1, and the description thereof will be omitted. The configuration in which the
本発明の実施の形態3では、本発明の実施の形態1および2と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。図6を用いて実施の形態3における内燃機関用点火装置1の高周波交流電源2の構成について説明する。
In the third embodiment of the present invention, portions different from the first and second embodiments of the present invention will be described, and the description of the same or corresponding portions will be omitted. The configuration of the high frequency
高周波交流電源2は、直流電圧源3と、入力コンデンサ4と、電圧検出手段8と、インバータ5と、トランス6と、共振回路7と、高周波交流電源2から点火プラグ10に出力される電流を検出する電流検出手段9と、制御部12から構成される。さらに本実施の形態は、インバータ5とトランス6の間にダイオードブリッジ回路13を有する。
The high frequency
ダイオードブリッジ回路13は、4つのダイオード131、132、133、134で構成される。ダイオード131,133のカソードは、インバータ5のスイッチング素子51と53のドレイン端、直流電圧源3および入力コンデンサ4のプラス端に接続されている。また、ダイオード132,134のアノードは、インバータ5のスイッチング素子52と54のソース端、直流電圧源3および入力コンデンサ4のマイナス端に接続されている。
The
ダイオード131のアノードとダイオード132のカソードの接続点はトランス6一次側巻線の一端61aに接続する。また、第2レグのダイオード133のアノードとダイオード134のカソードの接続点はトランス6一次側巻線の他端61bに接続される。すなわち、ダイオード131とダイオード132の直列回路を第1レグとし、ダイオード133とダイオード134の直列回路を第2レグとする回路となっている。
The connection point of the anode of the
点火動作時における失火について説明する。内燃機関用点火装置1は、ECUからの点火タイミング信号に基づいて点火動作が実施される。しかしながら、燃焼室の状態や点火プラグ10の電極の磨耗などが要因となり、点火プラグ10の電極間に形成された火花が失火することがある。
A misfire during the ignition operation will be described. The internal combustion
火花が失火した場合は、放電用電源11の点火コイルに残留する誘導エネルギーが、点火プラグ10の電極間に供給され、再度絶縁破壊による点火が実施される。この点火動作を以降再点火と称する。
When the spark is misfired, inductive energy remaining in the ignition coil of the
再点火は、ECUから送信される点火タイミング信号とは同期せずに実施される。このため、高周波交流電源2が動作中であっても失火した場合は再点火が実施される。また、再点火は点火プラグ10の電極間の絶縁破壊することから、点火タイミング信号による絶縁破壊と同じく、共振コンデンサ72による放電電流が発生する。
Reignition is performed out of synchronization with the ignition timing signal transmitted from the ECU. For this reason, even if the high frequency
ここで、ダイオードブリッジ回路13を備えない高周波交流電源2が動作中に再点火が発生し、共振コンデンサ72からの放電電流がインバータ5に流入した場合について説明する。
Here, the case where reignition occurs while the high frequency
例えば、インバータ5のスイッチングの位相と放電電流の位相との関係が上述した図3(b)のように進み位相となるとき、実施の形態1で説明したように各スイッチング素子の逆並列ダイオードでリカバリが発生し、短絡しやすくなる。リカバリ期間の長さは遮断電流に依存する傾向である。 For example, when the relationship between the switching phase of the inverter 5 and the phase of the discharge current becomes the leading phase as shown in FIG. 3B described above, the anti-parallel diodes of the switching elements are as described in the first embodiment. Recovery occurs and it is easy to short circuit. The length of the recovery period tends to depend on the blocking current.
遮断する電流は共振コンデンサ72から出力される放電電流がトランス6の巻数比倍になっていることから、高周波プラズマ点火動作のときに発生するリカバリ期間よりも長くなる。短絡期間が長くなると、短絡電流による過渡発熱が過大となり高周波交流電源2の構成素子の耐熱温度を超え破損する。または図示していない温度センサの閾値を超え高周波交流電源2の動作停止が頻発するといった状態となる。
Since the discharge current output from the
図7は、内燃機関用点火装置1の再点火動作を示す図である。図7中には、点火タイミング信号と、インバータ駆動信号と、点火プラグ電圧と、点火プラグ電流の動作状態を示している。また図中におけるT1〜T5はある時刻を示すものである。
FIG. 7 is a view showing the reignition operation of the internal combustion
再点火の状態において、実施の形態3のダイオードブリッジ回路13を有する構成の場合の動作について説明する。
The operation in the case of the configuration having the
ダイオードブリッジ回路13が、インバータ5とトランス6との間に接続されていると、放電電流は、インバータ5とダイオードブリッジ回路13とに分流する。これにより、再点火時に入力コンデンサ4から発生する放電電流の位相を問わずに、放電電流を整流することができる。よって、インバータ5の各スイッチング素子の逆並列ダイオードで発生するリカバリ損失やリカバリ短絡期間を抑制することができる。
When the
また、ダイオードブリッジ回路13に使用するダイオードの順方向電圧特性が、インバータ5の逆並列ダイオードの順方向電圧特性より低電圧にすることで、ダイオードブリッジ回路13の整流電流をより増加することができる。
Further, by setting the forward voltage characteristic of the diode used in the
さらに、トランス6からダイオードブリッジ回路13までの接続を最短になるように構成する。これにより、配線経路よるインピーダンスが大きくなることが要因となり、インバータ5のスイッチング素子の逆並列ダイオードに流れる電流量が増大することを抑制することができる。
Furthermore, the connection from the
上述の構成により、高周波交流電源2が動作中に放電用電源11による再点火が実施され、共振コンデンサ72から、いかなる位相の放電電流がインバータ5に流入しても、ダイオードブリッジ回路13で整流することができる。また、インバータ5のスイッチング素子の逆並列ダイオードのリカバリ損失の低減やリカバリ短絡による過渡発熱の抑制が可能となる。
よって、高周波交流電源2の印加電圧の上昇を効果的に防ぐことができる。
With the above-described configuration, reignition by the
Therefore, the rise of the applied voltage of the high frequency alternating
なお、本発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 The present invention can freely combine each embodiment within the scope of the invention, and can appropriately modify or omit each embodiment.
1 内燃機関用点火装置、2 高周波交流電源、3 直流電圧源、4 入力コンデンサ、5 インバータ、51,52,53,54 スイッチング素子、6 トランス、61 トランスの一次側巻線、62 トランスの二次側巻線、7 共振回路、71 共振リアクトル、72 共振コンデンサ、8 電圧検出手段、9 電流検出手段、10 点火プラグ、11 放電用電源、12 制御部、13 ダイオードブリッジ回路、131,132,133,134 ダイオード
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記点火プラグの電極間に直流高電圧を印加して前記電極間に火花放電を発生させる放電用電源と、
前記火花放電の放電経路に高周波電圧を印加して前記電極間に高周波プラズマを発生させる高周波交流電源と、
を有する内燃機関用点火装置において、
前記高周波交流電源は、
直流電圧源と、
入力コンデンサと、
前記入力コンデンサの印加電圧を検出する電圧検出手段と、
複数のスイッチング素子を有し、前記直流電圧源から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記インバータの出力端に一次側巻線を接続したトランスと、
前記トランスの二次側巻線に接続され、少なくとも1つ以上のコンデンサおよびリアクトルを有し、前記インバータから出力された交流電圧を共振させる共振回路と、
前記インバータを構成する前記スイッチング素子のオンおよびオフ動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記放電用電源のみで点火動作が行われ、
前記入力コンデンサの検出電圧が予め設定された閾値電圧よりも高電圧であるときに、エネルギー消費動作として前記入力コンデンサに蓄積されたエネルギーを消費するよう、前記インバータを動作させることを特徴とする内燃機関用点火装置。 An ignition plug for igniting a combustible mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine;
A discharge power source for applying a DC high voltage between the electrodes of the spark plug to generate a spark discharge between the electrodes;
A high frequency alternating current power supply for applying a high frequency voltage to the discharge path of the spark discharge to generate a high frequency plasma between the electrodes;
An ignition device for an internal combustion engine having
The high frequency alternating current power supply is
A DC voltage source,
An input capacitor,
Voltage detection means for detecting an applied voltage of the input capacitor;
An inverter having a plurality of switching elements and converting a DC voltage output from the DC voltage source into an AC voltage;
A transformer having a primary winding connected to the output end of the inverter;
A resonant circuit connected to the secondary side winding of the transformer, having at least one or more capacitors and a reactor, for resonating the alternating voltage output from the inverter;
A control unit that controls the on and off operation of the switching element that constitutes the inverter;
Equipped with
The control unit
The ignition operation is performed only by the discharge power source,
The inverter is operated to consume energy stored in the input capacitor as an energy consumption operation when the detected voltage of the input capacitor is higher than a preset threshold voltage. Engine igniter.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017211758A JP6773004B2 (en) | 2017-11-01 | 2017-11-01 | Ignition system for internal combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017211758A JP6773004B2 (en) | 2017-11-01 | 2017-11-01 | Ignition system for internal combustion engine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019085877A true JP2019085877A (en) | 2019-06-06 |
JP6773004B2 JP6773004B2 (en) | 2020-10-21 |
Family
ID=66763997
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017211758A Active JP6773004B2 (en) | 2017-11-01 | 2017-11-01 | Ignition system for internal combustion engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6773004B2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110500222A (en) * | 2019-09-20 | 2019-11-26 | 韦伟平 | A kind of high-frequency resonant firing circuit of lean combustion engine and its work, control method |
JP6840301B1 (en) * | 2020-04-17 | 2021-03-10 | 三菱電機株式会社 | Ignition system |
KR102243322B1 (en) * | 2020-08-14 | 2021-04-21 | 김덕철 | High voltage igniter |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100319644A1 (en) * | 2009-06-18 | 2010-12-23 | Ecoignition | Energy efficient plasma generation |
JP2012112310A (en) * | 2010-11-25 | 2012-06-14 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Plasma ignition device and plasma ignition method |
JP2015086702A (en) * | 2013-10-28 | 2015-05-07 | 三菱電機株式会社 | High frequency wave plasma ignition device |
JP2015200280A (en) * | 2014-04-10 | 2015-11-12 | 株式会社デンソー | control device |
JP2016108989A (en) * | 2014-12-04 | 2016-06-20 | 三菱電機株式会社 | Ignition device |
WO2017115511A1 (en) * | 2015-12-28 | 2017-07-06 | 三菱電機株式会社 | Internal combustion engine ignition device |
WO2018012025A1 (en) * | 2016-07-15 | 2018-01-18 | 三菱電機株式会社 | Resonant inverter |
-
2017
- 2017-11-01 JP JP2017211758A patent/JP6773004B2/en active Active
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100319644A1 (en) * | 2009-06-18 | 2010-12-23 | Ecoignition | Energy efficient plasma generation |
JP2012112310A (en) * | 2010-11-25 | 2012-06-14 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Plasma ignition device and plasma ignition method |
US20130214689A1 (en) * | 2010-11-25 | 2013-08-22 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Plasma ignition device and plasma ignition method |
JP2015086702A (en) * | 2013-10-28 | 2015-05-07 | 三菱電機株式会社 | High frequency wave plasma ignition device |
JP2015200280A (en) * | 2014-04-10 | 2015-11-12 | 株式会社デンソー | control device |
JP2016108989A (en) * | 2014-12-04 | 2016-06-20 | 三菱電機株式会社 | Ignition device |
WO2017115511A1 (en) * | 2015-12-28 | 2017-07-06 | 三菱電機株式会社 | Internal combustion engine ignition device |
WO2018012025A1 (en) * | 2016-07-15 | 2018-01-18 | 三菱電機株式会社 | Resonant inverter |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110500222A (en) * | 2019-09-20 | 2019-11-26 | 韦伟平 | A kind of high-frequency resonant firing circuit of lean combustion engine and its work, control method |
JP6840301B1 (en) * | 2020-04-17 | 2021-03-10 | 三菱電機株式会社 | Ignition system |
WO2021210158A1 (en) * | 2020-04-17 | 2021-10-21 | 三菱電機株式会社 | Ignition system |
KR102243322B1 (en) * | 2020-08-14 | 2021-04-21 | 김덕철 | High voltage igniter |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6773004B2 (en) | 2020-10-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6469321B2 (en) | Resonant type inverter | |
US8807124B2 (en) | Ignition apparatus | |
JP5897099B1 (en) | Ignition device | |
JP6773004B2 (en) | Ignition system for internal combustion engine | |
KR20150070385A (en) | Plasma ignition device for internal combustion engines | |
JP2013151866A (en) | Overlapping discharge-type ignition device for internal combustion engine | |
JP5496297B2 (en) | Ignition device for internal combustion engine | |
JP5253144B2 (en) | Ignition device for internal combustion engine | |
US20160161120A1 (en) | Inductive start and capacitive sustain ignition exciter system | |
JP5295305B2 (en) | Ignition device | |
JP6190793B2 (en) | Ignition device for internal combustion engine | |
JP6125139B1 (en) | Internal combustion engine ignition device | |
WO2014002291A1 (en) | Ignition device for internal combustion engine | |
WO2017115511A1 (en) | Internal combustion engine ignition device | |
US11560869B2 (en) | Electronic circuit and capacitor discharge system comprising electronic circuit | |
JP5750813B2 (en) | Ignition device for internal combustion engine | |
JP2010101212A (en) | Ignition device for internal combustion engine | |
JP5601643B2 (en) | Ignition device for internal combustion engine | |
US10145352B2 (en) | Resonant ignition circuit | |
JP6041084B2 (en) | Ignition device for overlap discharge type internal combustion engine | |
JP5601642B2 (en) | Ignition device for internal combustion engine | |
JP3116964B2 (en) | Engine ignition device | |
JP2012122348A (en) | Ignition device for internal combustion engine | |
JP2011220293A (en) | Plasma type ignition device | |
JP2000213445A (en) | Power distribution means, power distribution means for discharge, and power distribution means for ignition |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20191108 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200821 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20200901 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20200914 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 6773004 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |